臺灣博碩士論文加值系統

本研究之目的在探討嵌入式生理訊號量測、無線傳輸之資料品質與數量的關係，此系統以MSP430F149為核心，擷取由心電圖類比訊號板所產生的心電圖(ECG)，心電圖訊號之取樣率為200Hz，並利用量測系統上之TFT LCD即時顯示心電圖訊號。心電圖訊號經過MSP430F149類比數位轉換後，可經由ZigBee無線傳輸系統，直接將量測到的心電圖訊號即時傳送到接收端，在接收端經由USB直接在Borland C++ Builder所建立之使用者介面即時顯示、儲存收到的訊號，此使用者介面可將已經儲存於電腦中的訊號讀取出來並加以顯示，且在使用者介面上顯示接收資料的總時間與接收到的總資料量。本研究以四種量測方式，包含了第一組為發送端與接收端均在室內，相隔距離為6公尺。第二組為發送端在室內，接收端在室外，相隔距離為13公尺。第三組為發送端在室內，接收端在室外，並在兩者之間增加一個節點，發送端與節點距離為18公尺，節點與接收端距離為22公尺。第四組為發送端在室內，接收端在室外，並在兩者之間增加兩個節點，發送端與節點一距離為11公尺，節點一與節點二距離為14公尺，節點二與接收端距離為20公尺。以此四種方式來探討在不同距離與空間與ZigBee節點數量的傳輸量，當節點每一百平方公尺放置0.84個時，只有55.58%的資料傳輸量，當節點每一百平方公尺放置1.07個時，資料傳輸量增加至98.05%，因此本研究具體評估在一定的空間內，ZigBee節點數量的多寡對於生理訊號資料傳輸量之通透性有著明顯的關係。

The objective of the study was to discuss the relationship between embedded measurement of bio-signal and the quality and accuracy of wireless transmitted data. The system was integrated using MSP430F149 to acquire the signals of ECG. The sampling rate of ECG was 200 Hz. The signal was real-time displayed on the TFT LCD of the device. After analog to digital conversion by MSP430F149, the signals could be transmitted real time to the receiving point through the ZigBee wireless transmission system. With user interface created by Boarland C++ Builder at the receiving point, the received signal could be displayed and saved through USB. The user interface could read and display signals stored in the computer and also show the total time and the total amount of data received. This study discussed the amount that transmitted under the conditions of different distances, different space, and the different densities of ZigBee router by using four methods of measurement. The transmitted rate of data was 55.58% when the density of ZigBee router was 0.84 per 100 square meter. And the rate increased to 98.05% when the density was 1.07 per 100 square meter. Therefore, the study concluded that the quantity of ZigBee routers was positively correlated to the penetrability of bio-signal data transmission within a fixed space.

摘要 I
Abstract III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目的 3
1.4 論文架構 4
第二章 研究背景與原理 6
2.1 ZigBee簡介 6
2.1.1 ZigBee無線通訊協定 7
2.1.2 堆疊架構 8
2.1.3 ZigBee網路拓樸(Topology) 9
2.1.4 ZigBee與Bluetooth 10
2.2 心電圖簡介 11
2.3 本章總結 17
第三章 系統架構與實現方法 18
3.1 硬體架構與裝置概述 18
3.2 MSP430微控制器 19
3.3 ADC模組 21
3.4 ZigBee無線傳輸模組 22
3.5 節點與接收裝置 30
3.6 接收訊號強度偵測裝置 30
3.7 薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD) 31
3.7.1 TFT LCD 31
3.7.2 Bresenham’s line algorithm 32
3.8 通用串列匯流排(USB) 35
3.9 心電圖類比訊號模組 35
3.9.1 電極配置 36
3.9.2 儀表放大 37
3.9.3 高通濾波器 38
3.9.4 低通濾波器 40
3.9.5 帶拒濾波器 41
3.9.6 後級放大及減法器 42
3.9.7 實測結果 43
3.10 軟體實現 44
3.11 本章總結 44
第四章 結果與討論 45
4.1 系統平台 45
4.2 接收端系統 47
4.3 TFT LCD 47
4.4 心電圖類比訊號擷取電路 49
4.5 接收端軟體 50
4.6 測試結果 53
4.6.1 受測者 53
4.6.2 量測結果 53
4.7 討論 97
4.8 本章總結 97
第五章 結論與未來展望 99
5.1 結論 99
5.2 未來展望 101
參考文獻 102

圖目錄
圖 一 1 97年及98年主要死因死亡統計圖[1] 2
圖 二 1 ZigBee 堆疊架構圖[10] 9
圖 二 2 (A)星狀拓樸、(B)樹枝狀拓樸及(C)網狀拓樸[11] 10
圖 二 3 心臟基本構造，包含四個腔室、二尖瓣和三尖瓣[7] 12
圖 二 4 心臟之傳導系統；主要包括竇房結、房室結、希氏束、左右束及浦金氏纖維[30] 13
圖 二 5 心電圖12導程[30] 14
圖 二 6 標準肢導程(The Standard Limb Leads) [30] 16
圖 二 7 正常心電圖及單位比例[30] 17
圖 三 1 整體系統流程圖 19
圖 三 2 MSP430架構方塊圖[14] 20
圖 三 3 MSP430腳位圖[14] 21
圖 三 4 類比/數位轉換器之功能方塊圖[15] 22
圖 三 5 ZigBee外觀示意圖[21] 23
圖 三 6 ZigBee實際外觀圖 23
圖 三 7 ZigBee之應用電路 24
圖 三 8 X-CTU軟體介面 26
圖 三 9 電腦連接模組對話框 26
圖 三 10 Modem Configuration頁面 27
圖 三 11 燒錄成功視窗 27
圖 三 12 廣播模式之10000筆心電圖資料傳輸量 28
圖 三 13 點對點模式之10000筆心電圖資料傳輸量 28
圖 三 14 發送端與接收端DH、DL值設定 29
圖 三 15 鮑率設定 29
圖 三 16 節點之DH、DL設定 30
圖 三 17 PAN ID之設定 30
圖 三 18 LMV339之應用電路圖 31
圖 三 19 TFT LCD介面系統結構圖[16] 32
圖 三 20 經過200Hz取樣所達到的心電圖波形 33
圖 三 21 經過Bresenham’s line algorithm後的心電圖波形 33
圖 三 22 Bresenham’s line algorithm流程圖[17] 34
圖 三 23 Bresenham’s line algorithm連線示意圖[17] 34
圖 三 24 PL2303之應用電路圖 35
圖 三 25 心電圖量測線路方塊圖[19] 36
圖 三 26 心電圖肢導程電極配置圖[19] 36
圖 三 27 心電圖電極片 37
圖 三 28 INA128之功能接腳圖[19] 38
圖 三 29 INA128之應用電路[19] 38
圖 三 30 二階高通之基本電路[19] 39
圖 三 31 二階低通之基本電路[19] 40
圖 三 32 四階低通之基本電路[19] 41
圖 三 33 T型帶拒濾波器[19] 42
圖 三 34 實現之正向放大及減法器線路[19] 42
圖 三 35 心電圖類比訊號模組實測之系統頻率響應圖[19] 43
圖 四 1 系統平台之正面圖 46
圖 四 2 系統平台之反面圖 46
圖 四 3 本系統之接收端。左為正面，右為背面 47
圖 四 4 TFT LCD硬體外觀 48
圖 四 5 TFT LCD顯示之心電圖 48
圖 四 6 心電圖類比訊號擷取板(A)正面(B)背面 49
圖 四 7 心電圖電極片 49
圖 四 8 心電圖類比訊號模組實測之系統頻率響應圖[19] 50
圖 四 9 電腦接收端使用者介面 51
圖 四 10 使用者顯示介面一與二之流程圖 52
圖 四 11 整體量測流程圖 53
圖 四 12 第一組量測位置示意圖 56
圖 四 13 第一組受測者A之實際量測圖 57
圖 四 14 第一組受測者B之實際量測圖 59
圖 四 15 第一組受測者C之實際量測圖 61
圖 四 16 第一組受測者D之實際量測圖 63
圖 四 17 第一組受測者E之實際量測圖 65
圖 四 18 第二組量測位置示意圖 66
圖 四 19 第二組受測者A之實際量測圖 67
圖 四 20 第二組受測者B之實際量測圖 69
圖 四 21 第二組受測者C之實際量測圖 71
圖 四 22 第二組受測者D之實際量測圖 73
圖 四 23 第二組受測者E之實際量測圖 75
圖 四 24 第三組量測位置示意圖 76
圖 四 25 第三組受測者A之實際量測圖 77
圖 四 26 第三組受測者B之實際量測圖 79
圖 四 27 第三組受測者C之實際量測圖 81
圖 四 28 第三組受測者D之實際量測圖 83
圖 四 29 第三組受測者E之實際量測圖 85
圖 四 30 第四組量測位置示意圖 86
圖 四 31 第四組受測者A之實際量測圖 87
圖 四 32 第四組受測者B之實際量測圖 89
圖 四 33 第四組受測者C之實際量測圖 91
圖 四 34 第四組受測者D之實際量測圖 93
圖 四 35 第四組受測者E之實際量測圖 95

表目錄
表 二 1 ZigBee 各項裝置的功能[9] 8
表 二 2 不同的拓樸之優缺點[12] 10
表 二 3 ZigBee和Bluetooth之比較[13] 11
表 二 4 ZigBee和Bluetooth之應用[13] 11
表 二 5 正常人所量測心電圖參考參數[7] 15
表 三 1 ZigBee各腳位功能表[21] 23
表 三 2 ZigBee模組特性表[21] 24
表 三 3 心電圖類比訊號模組實測與理論之濾波線路比較表[19] 44
表 四 1 心電圖類比訊號模組實測與理論之濾波線路比較表[19] 50
表 四 2 第一組受測者A之量測數據統計表 57
表 四 3 第一組受測者B之量測數據統計表 59
表 四 4 第一組受測者C之量測數據統計表 61
表 四 5 第一組受測者D之量測數據統計表 63
表 四 6 第一組受測者E之量測數據統計表 65
表 四 7 第一組量測數據總和統計表 65
表 四 8 第二組受測者A之量測數據統計表 67
表 四 9 第二組受測者B之量測數據統計表 69
表 四 10 第二組受測者C之量測數據統計表 71
表 四 11 第二組受測者D之量測數據統計表 73
表 四 12 第二組受測者E之量測數據統計表 75
表 四 13 第二組量測數據總和統計表 75
表 四 14 第三組受測者A之量測數據統計表 77
表 四 15 第三組受測者B之量測數據統計表 79
表 四 16 第三組受測者C之量測數據統計表 81
表 四 17 第三組受測者D之量測數據統計表 83
表 四 18 第三組受測者E之量測數據統計表 85
表 四 19 第三組量測數據總和統計表 85
表 四 20 第四組受測者A之量測數據統計表 87
表 四 21 第四組受測者B之量測數據統計表 89
表 四 22 第四組受測者C之量測數據統計表 91
表 四 23 第四組受測者D之量測數據統計表 93
表 四 24 第四組受測者E之量測數據統計表 95
表 四 25 第四組量測數據總和統計表 95
表 四 26 分組量測數據比較表 95

[1]行政院衛生署 http://www.doh.gov.tw/
[2]Taeke van Beekum , H. David Banta “Possibilities and problems in the development of home care technology,” Health Policy, Volume 12, Issue 3, 301-307, August 1989
[3]Aleksandar Milenković, Chris Otto, Emil Jovanov “Wireless sensor networks for personal health monitoring: Issues and an implementation,” Computer Communications, 29, 2521-2533, 2006
[4]Bernard Kai-Ping Koh and Peng-Yong Kong “Performance Study on ZigBee-Based Wireless Personal Area Networks for Real-Time Health Monitoring,” ETRI Journal, Volume 28, Number 4, 537-540, August 2006
[5]R. J. OWEIS, “PIC microcontroller-based RF wireless ECG monitoring system,” Journal of Medical Engineering & Technology, Vol. 31, No. 6, 410-418, November/December 2007
[6]Hak Jong Leea, Sun Hee Leeb, Kyoo-Seob Hac, Hak Chul Jangd, Woo-Young Chungd, Ju Young Kime, Yoon-Seok Changd, Dong Hyun Yoob “Ubiquitous healthcare service using Zigbee and mobile phone for elderly patients,” International Journal of Medical Informatics, 78, 193-198, 2009
[7]王錫崗，“人體生理學”，新文京開發出版股份有限公司，2004年6月
[8]林永泰，“以FPGA實現即時FFT頻譜分析之心率變異系統”，中原大學生物醫學工程學系碩士論文，2007年7月
[9]Z. Alliance. "ZigBee Standards Overview "; http://www.zigbee.org/.
[10]國立虎尾科技大學, “ZigBee無線通訊技術之設計與應用,”National Symposium on System Science and Engineering Conference National ILan University, ILan, Taiwan, June, 6-7, 2008.
[11]Wikipedia. "ZigBee," http://en.wikipedia.org/wiki/ZigBee.
[12]范士安，“ZIGBEE網路之捷徑式樹狀路由改進演算法”，大同大學通訊工程研究所，2008年7月
[13]廖建興，“無線個人區域網路(WPAN)技術發展與應用概論”，中華民國電子零件認證委員會，37-41
[14]Texas Instruments, “MSP430x1xx Family User Guide ”, 2006 http://www.ti.com/lit/ug/slau049f/slau049f.pdf
[15]“MSP430系列16位元元超低功耗單晶片機原理與應用”，清華大學出版社，2004年11月
[16]ILITEK, “a-Si TFT LCD Single Chip Driver 240RGBx320 Resolution and 262K color Datasheet,” ILI TECHNOLOGY CORP. http://www.adafruit.com/datasheets/ILI9325.pdf
[17]莊育瑋，“建構呼吸機電圖擷取平台及其在自主與非自主呼吸判斷之應用”，中原大學生物醫學工程系碩士論文，2010年1月
[18]PL2303 USB to RS232 Bridge Controller Product Datasheet. http://www.datasheetsite.com/datasheet/PL-2303
[19]陳紹田，“發展可攜式生理訊號長期紀錄及分析系統”，中原大學生物醫學工程系碩士論文，2007年7月
[20]Precision, Low Power INSTRUMENTATION AMPLIFIERS-INA 128 DataSheet. http://www.ti.com/product/ina128
[21]XBee™ ZNet 2.5/XBee-PRO™ ZNet 2.5 OEM RF Modules Datasheet. http://ftp1.digi.com/support/documentation/90000866_C.pdf
[22]LMV339 DataSheet.. http://www.ti.com/product/lmv339
[23]“Borland C++ Builder 6 程式設計經典”，松崗出版社，2007年3月
[24]Digi International, “X-CTU Configuration & Test Utility Software User’s Guide,” 2008. ftp://ftp1.digi.com/support/documentation/90001003_a.pdf
[25]National Semiconductor Corporation, “LMV339 Quad General Purpose, Low Voltage, TinyPack Comparators” http://www.national.com/pf/LM/LMV339.html
[26]Emil Jovanov, Dejan Raskovic, John Price, John Chapman, Anthony Moore, Abhishek Krishnamurthy “Patient Monitoring Using Personal Area Networks of Wireless Intelligent Sensors” http://dizertatie-serbanflorin.googlecode.com/svn/trunk/Documentatie/rmbs01_wireless.pdf
[27]Imran A. Zualkernan, A. R. Al-Ali, Mustafa A. Jabbar, Imad Zabalawi, and Ahmed Wasfy “InfoPods: Zigbee-Based Remote Information Monitoring Devices for Smart-Homes,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 55, No. 3, 1221-1226, August 2009
[28]“MSP430單片機應用系統開發與典型實例”，中國電力出版社，2005年7月
[29] Khusvinder Gill, Shuang-Hua Yang, Fang Yao, and Xin Lu “A ZigBee-Based Home Automation System,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 55, No. 2, 422-430, May 2009
[30]Dr. Alan Lindsay, Frank G.Yanowitz. M.D professor of Medicine University of Utah School of Medicine Medical Director,ECG Department LDS Hospital Salt Lake City, Utah: ECG learn center in cyberplace. In Cyberspace. http://library.med.utah.edu/kw/ecg/.